一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統的製作方法
2023-04-23 01:45:11 2
專利名稱：一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測和工程檢測技術領域，具體來說是涉及一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統。
背景技術：
彈性波層析成像技術又稱為彈性波CT技術，可分為聲波CT和地震波CT。該技術是利用彈性波在正常材料和缺陷(如蜂窩、不密實、離析或架空等)中傳播速度(主要指縱波速度)的差異，通過走時數據的拾取和計算機反演成像技術來重建介質的速度分布圖像，進而直觀地再現介質內部的精細結構。隨著電子及計算機技術的不斷發展，彈性波層析成像技術也在不斷成熟和完善，作為一門新穎的檢測技術，與常規波速測定相比，具有較高的解析度，更有利全面細緻的對被測物進行質量評價，為波速成像開拓了新的路徑，在混凝土厚度及內部缺陷檢測、油氣輸送管道洩漏、錨杆錨固質量檢測，木材彈性模量及缺陷檢測以及巖溶勘查、採空區探測等工程物探中發揮著越來越重要的作用，並取得了顯著的效果。該技術使用不同數量的激振器和檢振器，同一時刻單個激振器激發，所有檢振器接受，形成一發多收的扇形透射，經過不同位置的激振器激發，所有檢振器接受，將在被測區域形成緻密的射線交叉網絡。按照激發與接收時間互換原理，每條射線彈性波旅行時間將被唯一確定，射線通過異常體時，將產生時間旅行差，當多條緻密交叉射線通過異常體時，就會對異常體的空間位置進行唯一確定，然後再根據射線的疏密程度及成像精度的要求，在施測範圍內劃分若干規則的成像單元，實現透視空間離散化，可認為每個成像單元的介質是均勻的，波速是單一的，通過對諸多成像單元波速的數學物理反演計算，可獲得異常體波速的展布形態。在彈性波檢測中，產生振源的激振器和拾取彈性波的檢波器是實現有效檢測的關鍵。傳統的激振器一般是用手錘或力棒敲擊作為振源，但是這種方法力度不好把握，頻率也往往達不到要求。液壓式激振器價格較貴，體積較大。壓電式激振器中的壓電材料存在應變小、能量低的問題。目前，本技術領域中存在不足和問題是(1)在彈性波CT檢測時需要多個激振器、檢振器才能將被測材料的整個速度場進行層析成像，因此利用傳統分離式的激振、檢振裝置進行彈性波CT檢測時，必然存在檢測設備數量多、檢測成本高的問題。(2)激振/檢振器的控制部分獨立於激振、檢振器，整個檢測過程採用以計算機作為控制核心的有線控制方式，在檢測中，需要利用電纜將計算機與控制裝置、多個激振器、 多個檢振器連接，因此，存在安裝複雜、電纜布設成本高的問題。(3)目前彈性波CT檢測採用單個激振器瞬時激振，所有檢振器同時檢振的方法， 雖然這種檢測方式簡單、易行，但由於激振產生的瞬時彈性波頻率、幅度、相位等信息未知， 再經存在缺陷的材料中傳播時，出現波的折射、反射、衍射等現象，造成檢振器檢測的彈性波信號在進行信號處理時難度較大。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術不足，提供一種結構緊湊，製造和使用成本低，便攜性能好，更便於操作和使用，提高檢測工作效率的基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統。為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統，由激振與檢振器結構和控制系統兩部分組成。所述激振與檢振器結構包括偏置線圈1、激勵線圈2、檢振線圈3、線圈骨架 4、頂座5、電源開關6、過線孔7、電源模塊8、激振檢振控制模塊的外設接口 9、激振檢振控制模塊10、外殼11、超磁致伸縮棒12、固定彈簧13、預壓彈簧14、端蓋15及衝擊杆16 ；其特徵是所述線圈骨架、頂座用螺釘與外殼連接；線圈骨架上繞有檢振線圈、偏置線圈和激勵線圈；其中偏置線圈、激勵線圈分別為超磁致伸縮棒提供偏執磁場和激勵磁場；所述頂座與外殼之間安裝激振檢振控制模塊與電源模塊；所述超磁致伸縮棒連接在衝擊杆的定位槽中，衝擊杆與端蓋之間裝預壓彈簧，衝擊杆與線圈骨架之間裝固定彈簧，並且衝擊杆與端蓋之間通過預壓彈簧形成懸架結構；所述端蓋用螺紋連接外殼；所述激振檢振控制模塊通過過線孔將信號線與檢振線圈、激勵線圈相連；所述電源模塊的電源線同樣通過線圈骨架和上頂杆的過線孔與偏置線圈相連，並直接為偏置線圈供直流電。所述激振與檢振器控制系統包括兩個部分激振檢振控制電路27和外部的電腦 28 ；其中所述激振檢振控制電路包括檢振線圈3、限幅器17、適配放大器18、模擬數字轉換器19、記憶單元20、無線傳輸模塊22、微處理器單元23、數字模擬轉換器24、功率放大器 25、激勵線圈2及現場總線通信模塊21 ；所述微處理器單元經數字模擬轉換器、功率放大器與激勵線圈相接，並將微處理器單元的輸出控制信號經功率放大後給激勵線圈；所述微處理器單元經模擬數字轉換器、適配放大器及限幅器與檢振線圈相接；並由檢振線圈採集到檢測信號經限幅、適配放大和模擬數字轉換後輸入微處理器單元；所述微處理器單元還連接記憶單元、現場總線通信模塊及無線傳輸模塊；所述外設接口 9是現場總線通信模塊的外設接口，外設接口與電腦等控制設備掛接在現場總線上；所述電源模塊(8)為限幅器、適配放大器、模擬數字轉換器、微處理器單元、記憶單元、現場總線通信模塊、無線傳輸模塊、數字模擬轉換器、功率放大器的提供電源，並且與偏置線圈相連並直接為偏置線圈供直流電。所述無線傳輸模塊由激振檢振控制電路的無線收發模塊和電腦的無線收發模塊組成。本發明與現有技術比較，其突出的實質性特點和顯著的優點是(1)本發明將激振與檢振器結構進行了集成，這樣可以大大減少檢測設備的數量、 降低檢測成本，同時與現有分離的激振、檢振器技術相比，在靈活性和便攜性上具有較大的突破。(2)本發明將激振、檢振控制系統與激振、檢振結構一體化、利用無線、有線兩種方式與計算機進行數據、指令的通信，當進行大功率激振時，採用有線方式連接，利用現場總線進行外部供電同時實現與計算機的有線通信，當進行正常小功率激振、檢振時，採用無線方式通信，這樣在檢測過程中就大大減小了電纜布設費用、降低了安裝的複雜度。與傳統的檢測系統相比，可以顯著提高檢測系統的自動化程度。(3)本發明可控振源的激振器，即激振產生的彈性波信號的頻率、方式、相位等信息已知，因此在處理檢振器拾取的彈性波信號時，這些信息就為彈性波信號處理提供了可靠的參考標準，大大降低了信號處理的難度，提高了檢測精度。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的控制系統原理框圖。圖3為本發明的控制系統流程圖。圖中偏置線圈1、激勵線圈2、檢振線圈3、線圈骨架4、頂座5、電源開關6、過線孔7、電源模塊8、外設接口 9、激振與檢振控制模塊10、外殼11、超磁致伸縮棒12、固定彈簧 13、預壓彈簧14、端蓋15和衝擊杆16。
具體實施例方式以下結合附圖詳細說明本發明的技術方案。本發明一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統由激振與檢振器結構和控制系統兩部分組成。其中1、激振與檢振器結構圖1所示，激振與檢振器結構，它包括偏置線圈1、激勵線圈2、檢振線圈3、線圈骨架4、頂座5、電源開關6、過線孔7、電源模塊8、外設接口 9、激振檢振控制模塊(即激振檢振控制電路板)10、外殼11、超磁致伸縮棒12、固定彈簧13、預壓彈簧14、端蓋15和衝擊杆 16 ；所述線圈骨架4、頂座5用螺釘與外殼11連接；線圈骨架4上繞有偏置線圈1、激勵線圈2和檢振線圈3 ；其中所述頂座5與外殼11之間安裝激振檢振控制模塊10與電源模塊 (電池)8 ；所述超磁致伸縮棒12連接在衝擊杆16的定位槽中，衝擊杆與端蓋之間裝預壓彈簧14，衝擊杆16與線圈骨架之間裝固定彈簧13，並且衝擊杆16與端蓋之間通過預壓彈簧形成懸架結構；所述端蓋15用螺紋連接外殼11，並可用來調節衝擊杆16對超磁致伸縮棒 12預壓力大小；所述激振檢振控制模塊10通過過線孔7將信號線與檢振線圈、激勵線圈相連。所述外設接口 9 (可採用航空接頭)與控制系統的電腦等外部設備掛接在同一條現場總線上。偏置線圈1、激勵線圈2分別為超磁致伸縮棒提供偏置磁場和激勵磁場。所述電源模塊的電源線同樣通過線圈骨架和上頂杆的過線孔與偏置線圈相連，並直接為偏置線圈供直流電。用偏置線圈產生偏置磁場，用激勵線圈產生交變磁場。通過調節線圈中流過的電流即可方便地調節偏置磁場和驅動磁場的大小。超磁致伸縮棒在方向相反的磁場作用下， 應變方向不會改變，因此若僅加一個交變磁場，超磁致伸縮棒的機械運動頻率將為交變磁場的兩倍，這種現象稱為「倍頻」效應。為了使超磁致伸縮棒機械運動的頻率等於交變磁場的頻率，避免「倍頻」現象，就必須再加一個稱為偏置磁場的直流磁場。激勵線圈2使超磁致伸縮棒產生激振動作，其原理是磁致伸縮效應(焦耳效應)， 磁致伸縮效應指當磁性體的磁化狀態改變時，其長度或體積會發生微小的變化，超磁致伸縮棒12通過偏置線圈1提供恆定的磁場，當外加激勵線圈2電流變化時，超磁致伸縮棒所處磁場會發生變化，超磁致伸縮棒12會發生相應的變化，從而產生激振的動作。檢振線圈3是一種磁致伸縮的檢振線圈，用於實現檢振功能，其原理是超磁致伸縮材料存在逆磁致伸縮效應，即超磁致伸縮材料受到外界壓力作用時，材料內部的磁化狀態會沿著力的方向發生變化。檢振線圈3由於電磁感應，產生了表示一定振動信息的感應電壓。所述的偏置線圈、激勵線圈和超磁致伸縮棒組成激振模塊。所述檢振線圈和超磁致伸縮棒組成檢振模塊。2、控制系統部分圖2所示，激振與檢振器控制系統原理框圖。該激振與檢振器控制系統包括兩個部分激振檢振控制電路27和外部的電腦28。激振檢振控制電路27包括檢振線圈3、限幅器17、適配放大器(如程控放大器、儀用放大器、PGA) 18、模擬數字轉換器(A/D converter) 19、微處理器單元(如MCU) 23、記憶單元(如FLASH、EEPR0M等)20、無線傳輸模塊22、數字模擬轉換器(D/A converter) 24、功率放大器(如音頻放大器)25、激勵線圈2及現場總線通信模塊21。所述微處理器單元23經數字模擬轉換器24、功率放大器25與激勵線圈2相接，並將微處理器單元23的輸出控制信號經功率放大後給激勵線圈2 ；所述微處理器單元23經模擬數字轉換器19、適配放大器18及限幅器17與檢振線圈3相接；並由檢振線圈採集到檢測信號經限幅、適配放大和模擬數字轉換後輸入微處理器單元23 ；所述微處理器單元23還連接記憶單元20並設有外設接口 9 ；所述外設接口 9是數據總線CAN通信模塊21的外設接口，外設接口與外部控制設備或現場總線相連，若外設接口與電腦控制設備直接連接時，可實現單點的可控激振、檢振；若外設接口與電腦控制設備、多個本發明裝置連接在同一條現場總線相連上，可實現彈性波CT多節點有線檢測。所述無線傳輸模塊22由激振檢振控制電路27的無線收發模塊和電腦28的無線收發模塊組成。電源模塊8為限幅器17、適配放大器18、模擬數字轉換器19、微處理器單元23、記憶單元20、現場總線通信模塊21、無線傳輸模塊22、數字模擬轉換器24、功率放大器25提供電源。電源模塊8擬採用亞硫酸氯鋁電池供電，當彈性波CT成像過程採用無線方式傳輸指令和數據時，電源模塊8為激振檢振控制電路27及偏置線圈1提供電源，如需大功率激振(如混凝土、橋墩缺陷檢測)，電源模塊8無法提供大電流，需要採用有線方式，利用現場總線供電，同時完成與電腦的通信。檢振線圈3用於實現檢振功能，在彈性波CT檢測中，激振器在被測材料表面激發出彈性波後，被測材料表面出現振動現象，本發明中的激振與檢振器安裝在被測材料表面， 彈性波傳播到檢振點時，衝擊杆16開始振動，並擠壓超磁致伸縮棒12，在偏置線圈1提供的恆定磁場中，出現磁場的變化，檢振線圈3由於電磁感應開始輸出表示一定振動信息的電壓信號。限幅器17，提供瞬態或短時間過載的保護，避免因大的發射功率、直流電壓瞬變或靜電放電導致內部器件損壞。其原理是限幅器由非線性限幅器件和帶通濾波器組成，非線性限幅器件將超過限幅電平的那部分幅度切去，然後經帶通濾波器濾出其基波分量，使輸出電壓頻率與輸入電壓頻率保持一致。彈性波在介質中傳播時隨距離的變化會發生變化，安裝在材料表面的檢振器節點，在不同位置上拾取的振動強度是不同的，相應的電壓輸出是不同的。為了提高模擬數字轉換器19採樣精度，滿足採樣的電壓輸入範圍，需要適配放大器18將不同的電壓信號進行合理放大，儘量達到滿量程的一半以上。模擬數字轉換器19，用於將電壓信號轉換為電腦可識別的數位訊號。記憶單元20與微處理器單元23連接，為了減小微處理器單元23的運算量，檢測系統採用後處理方式，即先將模擬數字轉換器19採集的數據存儲到記憶單元20，當設定的採集時間結束後，將所有數據發送到外部的電腦26，在電腦系統26上實現速度場的層析成像。微處理器單元23是激振檢振一體化控制系統27的控制核心部件，它與模擬數字轉換器19、記憶單元20、現場總線通信模塊21、無線傳輸模塊22、數字模擬轉換器24、及限幅器17、適配放大器18和功率放大器25連接。它用於實現激振、檢振、數據傳輸、數據存儲、參數配置的功能。現場總線通信模塊21、無線傳輸模塊22實現微處理器單元23與電腦26的有線、 無線兩種通信。微處理器單元23開闢了現場總線通信模塊21、無線傳輸模塊22的緩存 RAM,電腦26發送的命令自動存儲到相應傳輸方式下的緩存RAM中，微處理器單元23通過讀取緩存RAM，執行相應的操作。在彈性波CT檢測中，為了解決瞬時激振時振源信息未知的問題，同時滿足不同場合下(混凝土、木材、採空區等)激振的要求，超磁致伸縮棒12需要產生激振方式、頻率、幅度、時間可控制的彈性波信號。為此，用戶通過電腦26將需要的激振方式(如正弦信號、 脈衝信號、指數信號、脈衝指數調製的正弦信號等)、頻率、幅度、時間發送給微處理器單元 23，微處理器單元23通過讀取緩存RAM，向數模轉換器24埠輸出相應頻率、方式的數位訊號。數模轉換器24將數位訊號轉換為相應的模擬電流信號，通過功率放大器25將輸出信號的幅度放大到參數配置的要求，經激勵線圈2使超磁致伸縮棒12產生相應的激振信號。如圖3所示，控制系統軟體流程圖本發明一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統的整個檢測過程默認是無線方式傳輸，如果掛接在現場總線通信模塊上，自動選擇為有線方式。有線方式傳輸過程與無線方式相似。該激振檢振一體化系統加電後，配置在晶片中的配置文件自動加載到微處理單元 23中。加載完畢後，微處理單元23開始判斷片內無線傳輸緩存RAM的empty信號端是否使能，當empty信號端為高電平時，說明緩存RAM為空，電腦26沒有發送指令，微處理單元23 繼續判斷empty信號端，當empty信號端變為低電平時，說明緩存RAM出現了數據，電腦26 已經發送指令，微處理單元23開始讀取緩存RAM的內容。無線傳輸模塊發送的指令包括模式選擇和配置參數兩方面。模式選擇包括激振模式和檢振模式；配置參數包括激振模式下信號發生方式(正弦信號、脈衝信號、指數信號、脈衝指數調製的正弦信號)、功率放大倍數、定時激振時間，檢振模式下適配放大倍數、 定時檢振時間、限幅電壓。微處理器單元23通過讀取無線傳輸緩存RAM，執行相應的指令。當判斷為激振模式後，微處理單元23進一步根據無線傳輸發送的配置參數，對定時器、DDS、功率放大器進行初始化。定時器是微處理單元23內部生成的模塊，用於設定激振器的激振時間，DDS是直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文縮寫，是微處理器單元23 內部生成的模塊，可以生成正弦信號、脈衝信號、指數信號、脈衝指數調製的正弦信號等各種方式的數位訊號，通過軟體設置，完成定時器定時時間、DDS信號發生方式、功率放大器 25放大倍數的設置。設置成功後，定時器、DDS、數字模擬轉換器24、功率放大器25、超磁致伸縮棒的激勵線圈2同時啟動，進行激振器的激振，同時微處理器單元23實時判斷定時器的定時是否結束，當判斷定時未結束時，繼續執行激振操作，當判斷定時結束後，激振動作停止，並清除無線傳輸緩存RAM的內容，返回到無線傳輸緩存RAM的empty信號端的判斷狀態。 當微處理單元32判斷為檢振模式後，微處理單元23進一步根據無線傳輸發送的配置參數，對定時器、限幅器17限幅電壓、適配放大器18放大倍數進行設置。當設置成功後，限幅器17、適配放大器18、模擬數字轉換器19同時啟動，開始對檢振線圈3拾取的彈性波進行採集。為了減小數據的存儲量及向電腦系統26的數據傳輸量，在微處理器內部設定閾值，當模擬數字轉換器19採集到得數據值大於設定閾值時，定時器定時功能以及記憶單元20開始啟動，進行彈性波的採集、存儲。同時微處理器單元23實時判斷定時器的定時是否結束，當判斷定時未結束時，繼續執行檢振操作，當判斷定時結束後，檢振動作停止，並清除無線傳輸緩存RAM的內容，返回到無線傳輸緩存RAM的empty信號端的判斷狀態。
權利要求
1.一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統，由激振與檢振器結構和控制系統兩部分組成；所述激振與檢振器結構包括偏置線圈(1)、激勵線圈(2)、檢振線圈(3)、線圈骨架(4)、頂座(5)、過線孔(7)、電源模塊(8)、激振檢振控制模塊的外設接口(9)、激振檢振控制模塊(10)、外殼(11)、超磁致伸縮棒(12)、固定彈簧(13)、預壓彈簧(14)、端蓋(15) 及衝擊杆(16)；其特徵是所述線圈骨架、頂座用螺釘與外殼連接；線圈骨架上繞有檢振線圈、偏置線圈和激勵線圈；其中偏置線圈、激勵線圈分別為超磁致伸縮棒提供偏執磁場和激勵磁場；所述頂座與外殼之間安裝激振檢振控制模塊與電源模塊；所述超磁致伸縮棒連接在衝擊杆的定位槽中，衝擊杆與端蓋之間裝預壓彈簧，衝擊杆與線圈骨架之間裝固定彈簧，並且衝擊杆與端蓋之間通過預壓彈簧形成懸架結構；所述端蓋用螺紋連接外殼；所述激振檢振控制模塊通過過線孔將信號線與檢振線圈、激勵線圈相連；所述電源模塊的電源線同樣通過線圈骨架和上頂杆的過線孔與偏置線圈相連，並直接為偏置線圈供直流電。
2.根據權利要求1所述的一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統，其特徵是所述激振與檢振器控制系統包括兩個部分激振檢振控制電路(27)和外部的電腦(28)； 其中所述激振檢振控制電路(27)包括檢振線圈(3)、限幅器(17)、適配放大器(18)、模擬數字轉換器(19)、記憶單元(20)、無線傳輸模塊(22)、微處理器單元(23)、數字模擬轉換器 (24)、功率放大器(25)、激勵線圈(2)及場總線通信模塊(21)；所述微處理器單元經數字模擬轉換器、功率放大器與激勵線圈(2)相接，並將微處理器單元的輸出控制信號經功率放大後給激勵線圈；所述微處理器單元經模擬數字轉換器、適配放大器及限幅器與檢振線圈相接；並由檢振線圈採集到檢測信號經限幅、適配放大和模擬數字轉換後輸入微處理器單元；所述微處理器單元還連接記憶單元、現場總線通信模塊及無線傳輸模塊；所述微處理器單元還連接記憶單元並設有外設接口(9)；所述外設接口是現場總線通信模塊的外設接口，外設接口與電腦及控制設備連接在同一條現場總線上；所述電源模塊(8)為限幅器、適配放大器、模擬數字轉換器、微處理器單元、記憶單元、 現場總線通信模塊、無線傳輸模塊、數字模擬轉換器、功率放大器提供電源，並直接為偏置線圈提供電源。
3.根據權利要求2所述的一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統，其特徵是所述無線傳輸模塊(22)由激振檢振控制電路(27)的無線收發模塊和電腦(28)的無線收發模塊組成。
全文摘要
本發明涉及一種基於超磁致伸縮材料的激振檢振一體化系統，由激振與檢振器結構和控制系統兩部分組成；激振與檢振器結構包括偏置線圈、激勵線圈、檢振線圈、線圈骨架、頂座、過線孔、電源模塊、外設接口、激振檢振控制模塊、外殼、超磁致伸縮棒、固定彈簧、預壓彈簧、端蓋及衝擊杆；主要特點是將激振檢振一體化，偏置線圈、激勵線圈分別為超磁致伸縮棒提供偏執磁場和激勵磁場；頂座與外殼之間安裝激振檢振控制模塊與電源模塊；衝擊杆與端蓋之間通過預壓彈簧形成懸架結構，端蓋用螺紋連接外殼；本發明減少檢測設備的數量、使用靈活和便於攜帶，測試交變應力範圍大，靈敏度和響應快，檢測精度高。
文檔編號G01N29/12GK102353721SQ20111025596
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者姚金傑, 張丕狀, 李劍, 蘇新彥, 邢磊, 韓焱 申請人:中北大學